Study of quantum cascade lasers using terahertz time-domain spectroscopy
Etude de lasers à cascade quantique par spectroscopie térahertz dans le domaine temporel
Résumé
This thesis presents a study of quantum cascade lasers using terahertz time-domain spectroscopy (TDS). TDS is an experimental technique which consists in detecting THz electric fields transmitted through a sample, offering the possibility of studying both static and dynamic effects in semiconductors. THz quantum cascade lasers are multiple quantum well structures that are considered as promising devices to fill the gap of far infrared emitters. In a first set of static experiments, we have measured the gain spectra of several samples and were able to identify the intersubband electronic transitions giving rise to gain and losses. We have also observed and explained the origin of a spectral gain narrowing in those lasers. In the dynamic experiments we switched the gain of a quantum cascade laser on to benefit from its non-stationary regime in order to amplify a THz wave. In this regime the gain of the laser is high and not clamped at the total losses above threshold. Finally, in a third set of dynamic experiments we measure the coherent THz emission of a laser using THz time-domain spectroscopy. The control of the phase of the laser was achieved by injection seeding it with a broadband THz pulse.
Ce travail présente une étude de lasers à cascade quantique à l'aide de la spectroscopie THz dans le domaine temporel. Cette technique expérimentale consiste en la mesure de champs électriques THz transmis par un échantillon, permettant d'étudier des effets à la fois statiques et dynamiques dans les semiconducteurs. Les lasers à cascade quantique THz sont des structures multipuits considérées comme des dispositifs prometteurs pour combler le manque de sources dans l'infrarouge lointain. Dans une première étude, statique, nous avons mesuré le spectre du gain de différents échantillons et avons pu identifier les transitions électroniques intersousbandes responsables du gain et des pertes. Nous avons aussi constaté un rétrécissement du spectre du gain dans ces lasers dont nous expliquons l'origine. Dans une seconde étude, dynamique, nous avons effectué une commutation utra-rapide du gain dans un laser à cascade quantique afin d'exploiter son régime transitoire pour amplifier une onde THz. Le laser présente alors un gain élevé sans être limité aux pertes totales au-dessus du seuil. Finalement, une troisième étude dynamique nous permet de mesurer l'émission cohérente d'un laser THz par spectroscopie dans le domaine temporel. Un contrôle électrique du déclenchement d'un laser au-dessus du seuil, et un amorçage de l'émission par une impulsion THz à spectre large nous permet de contrôler la phase du champ électrique émis par le laser.